雷电是常见的自然灾害

通信机房防雷接地系统的方案设计

雷电是常见的自然灾害，对人类的工作和生活环

境造成很大影晌，全球每年因雷电造成的损失超过

100亿美元。在一些单位的开支中，相当比例的费用

用于更换、维修雷灾损坏的设备。因此，做好防雷接地

工作、保护机房设备已成为广电、通信、电力、银行等

行业重点关注的课题。

1 雷电和雷电防护的基本知识

1．1雷电的产生

雷电是一种由雷云产生的自然现象。形成雷云的

必备条件有：空气中含有足够的水蒸气；大气中的温

度差使得潮湿的空气形成强大的上升气流；没有阻碍

持久强烈的上升气流形成的因素。

1-2雷电的参数

雷电放电的平均电流为30kA(目前记录到的最

大值为300kA)，中心温度达3000℃，强度可达

1000MV伏，一个中等强度雷暴的功率有10MW。90％

以上雷电发生在云间或云内，只有小部分是对地发生

的。根据统计，在对地的雷电放电中，90％左右的雷是

负极性的(雷电的极性是指雷云下行到地的电荷极

性)。

雷电放电涉及到气象、地形、地质等许多因素，雷

电的参数有一定随机性，也有一定统计性质。防雷设

计中主要需要注意的参数是：雷暴日、雷电流波形、频

谱分析、幅值等。雷暴日是指有雷电发生的日子，无论一天内听到几次雷声，都记为一个雷暴日，可采用年平均雷暴日

作为表征雷电活动频率的计算值。雷暴日数与纬度有

关，在炎热潮湿的赤道附近雷暴日数最多，两极最少。

在防雷设计时，要根据雷暴日的多少因地制宜。

雷电波频谱分析是研究避雷的重要依据，可以获

悉雷电波电压、电流的能量在各频段的分布，由此估

算通信系统频带范围内雷电冲击的幅度和能量大小，

进而确定相应的避雷措施。通过实际分析发现：雷电

流主要分布在低频部分，且随着频率的升高而递减；

雷电的能量主要集中在低频部分，约90％以上能量分

布在10kHz以下。所以只要防止10kHz以下频率的

雷电波窜人，就能消减大部分雷电波能量，这对避雷

工程的设计具有重要的指导意义。

1．3雷电危害的形式

(1)直击雷，指雷云对大地某点发生的强烈放电。

它可以直接击中设备和架空线(如电力线、通信电缆、

光缆等)。

(2)感应雷，分为静电感应及电磁感应。静电感应

是当带电雷云(一般带负电)出现在设备上空时，由于

静电感应作用，设备上束缚了大量的相反电荷。一旦

雷云发生放电，其负电荷瞬间消失，此时设备上大量

正电荷以雷电波的形式入地，引起设备损坏。电磁感

应是当雷电放电时，产生强交变电磁场，在这个场中

的设备会感应出很高的电压，导致损坏。对于建筑物

内的各种金属环路或电子设备而言，电磁感应分量大于静电感应分量。

(3)雷电侵入波也称为线路来波。当雷云之间或

雷云对地放电时，在附近的金属管线上产生感应过电

压(包括静电感应和电磁感应两个分量，但对于长距

离线路而言，静电感应过电压分量远大于电磁感应过

电压分量)。该感应过电压也会以行波的方式窜人室

内，造成电子设备的损坏。

(4)地电位反击，是指雷击建筑物或其近区时，造

成其附近设备的接地点地电位的升高，使设备外壳与

设备的导电部分间产生高过电压(也称为反击过电

压)，而导致设备的损坏。

据统计：直击雷的损坏仅占15％，其它形式的损

坏占85％。需要重点关注的是雷电侵入波、地电位反

击。

1．4防雷区的划分

IEC(国际电工委员会)标准中将防雷区分为以下

分区：

(1)LPZOA一天空、没有避雷针保护的大楼外部、

无顶棚等覆盖物的地面等可能遭受直接雷击的空间，

雷电电磁场没有衰减。

(2)LPz0B一没有避雷针保护的非屏蔽大楼内

部、有避雷针保护的大楼天台受保护部分、避雷线下

的电缆等雷电不易遭受直接雷击的空间，电磁场没有

衰减。

(3)LPzl一不会遭受直接雷击，但电磁场因屏蔽

而衰减的空间。如屏蔽大楼的内部(不含窗口附近)。

(4)LPZ2一在LPZl区内，再次屏蔽的空间。如上

述屏蔽大楼的另外设立屏蔽的机房内。

(5)LPZ3一在LPZ2区内，再次屏蔽的空间。如上

述机房内的机器金属外壳内部，或接地机柜内部。

1．5浪涌和SPD

浪涌是超出正常工作电压的瞬间过电压，雷电是

浪涌电压的一种。SPD(Surge Protect Device)是浪涌

保护器的英文简称，用于保护设备接口免受雷击过电

压和过电流的损坏。防雷也是浪涌保护器的一种功

能，由于雷击的浪涌电压和能量要远远高于其它种类

浪涌电压，所以SPD也常被称为防雷器、防雷保安

器。

1．6防雷措施分级

可把所有雷击与浪涌的电源保护的措施分为“五

级”：

第一级：避雷针、避雷线、避雷网等直击雷的金属

引下接地等装置，属于外部防雷。第二级：IEC CL～SS—I进线端总电源防雷或

LPZ0区进入LPZl区界面的等电位连接，属于内部防

雷。

第三级：IEC CLASS—11分配端的电源防雷或

LPzl区进人LPZ2区界面的等电位连接，属于内部防

雷。

第四级：IEC CLASS—III设备端的电源防雷或

LPz2区进入LPZ3区界面的等电位连接，属于内部防

雷。

第五级：合格的通过正常设计和安装的电子设备

内部应该具备的基本浪涌吸收能力。

级间线路距离不能太短，避免前后级防雷器线路

距离太近导致的前级防雷器不动作问题；末级和设备

间线路距离不能太长，避免线路感应新的雷击电压，

从而导致设备端限制电压超过安全值。

2雷电防护的基本原则

2．1 系统防护原则

应将通信系统及其运行环境作为一个整体进行

考虑，防护也应该针对整体进行。通信系统的防护可

以分成线路和电子设备两部分，两者相辅相成，缺一

不可。线路防护的主要目的是降低起源处的过电压、

过电流，减小对系统各部分的危害(包括对线路本身

的绝缘危害)。电子设备的防护则主要指经过适当的

防护，使电子设备免受雷击损坏。

设备系统的防护包括外部防雷系统和内部防雷

系统两个部分。外部防雷主要是指防直击雷，它由接

闪器、引下线和接地装置组成；内部防雷包括防雷电

感应、防反击、防雷电波侵入以及提供人身安全，包括

除外部防雷系统之外的所有附加措施。这些措施可以

减少雷电流产生的电磁效应，防止雷电损坏机房内的

设备，这是外部防雷系统所无法完成的。设备雷电防

护系统结构可归纳如图1。

2．2概率防护原则

雷电防护是概率防护，不可能达到100％的防护。

首先，雷电放电本身就有一定的随机性，雷电参数具有一定的统计性质，这就决定了建立在